含電加熱裝置的光熱電站儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)優(yōu)化研究

王豫昊

（華北水利水電大學(xué) 河南省鄭州市 450000）

當(dāng)前我國(guó)太陽(yáng)能太熱光電光伏發(fā)熱系統(tǒng)技術(shù)從一定很大程度上處于影響光伏光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)為主的我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域，按照對(duì)EIEA 的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，在2030年以后我國(guó)太陽(yáng)光熱光伏發(fā)電裝機(jī)時(shí)長(zhǎng)將首次達(dá)到裝機(jī)規(guī)模29GW，2050年以后我國(guó)的光熱光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量規(guī)模將首次達(dá)到125GW。2016年5月我國(guó)國(guó)家能源管理局正式發(fā)布國(guó)家太陽(yáng)能熱光伏發(fā)電重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)有關(guān)政策通知，入選首批2017年國(guó)家光熱光伏發(fā)電重點(diǎn)項(xiàng)目的企業(yè)共有20 個(gè)，裝機(jī)量達(dá)到1.3GW。在大型光伏加熱電站中通過(guò)直接引用其他光熱源為電站除熱，能夠有效實(shí)現(xiàn)電站出力的平穩(wěn)自動(dòng)控制，從一定很大程度上可以降低新一代能源不足的確定性供給電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)度和日前實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)形成的困難。太陽(yáng)能熱發(fā)電具有可調(diào)風(fēng)，儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)性發(fā)電等特點(diǎn)，因此其成為可再生領(lǐng)域，研究學(xué)者高度重視這一方面。本研究以具體多能互補(bǔ)基地作為研究對(duì)象，針對(duì)含電加熱裝置及光熱電站的互補(bǔ)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大化收益為發(fā)展目標(biāo)，提出通過(guò)光熱電站度電成本，以進(jìn)行光加熱功率及儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)的確定，能夠?yàn)楣鉄犭娬緝?chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)優(yōu)化分析提供重要參考。

1 文獻(xiàn)研究

過(guò)去采用光伏電站以及風(fēng)電場(chǎng)這種傳統(tǒng)新能源發(fā)電項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，相對(duì)光熱電站配置儲(chǔ)能系統(tǒng)在處于較高直接輻射條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)性發(fā)電并進(jìn)行熱量?jī)?chǔ)存，尤其在夜間用電高峰期時(shí)，能夠充分利用所儲(chǔ)存熱量來(lái)發(fā)電，確保發(fā)電站能夠持續(xù)運(yùn)行，為人們提供穩(wěn)定電能輸出。該光熱電站中配置儲(chǔ)熱裝置能夠?yàn)殡姛釁f(xié)同運(yùn)行提供新路徑，充分利用光熱電站可實(shí)現(xiàn)集成運(yùn)行，提升能源利用率。在多項(xiàng)研究中指出，光熱系統(tǒng)能夠與燒結(jié)余熱電站，大型或小型燃煤熱電廠，燃?xì)庹羝麩犭姀S的發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合運(yùn)行，基本是構(gòu)成循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)研究學(xué)者提出新型風(fēng)熱裝置，能夠有效利用風(fēng)能將其聯(lián)合槽式光熱電站，進(jìn)一步構(gòu)建可再生能源，即風(fēng)光熱電站。針對(duì)分時(shí)電價(jià)微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行條件下，進(jìn)一步構(gòu)建熱電風(fēng)電以及光伏聯(lián)合供電系統(tǒng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)以及燃料電池的微網(wǎng)模型。

2 光熱電站配置電加熱裝置的原理分析

2.1 傳統(tǒng)太陽(yáng)能熱發(fā)電站

過(guò)去塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站是由吸熱裝置除熱裝置，發(fā)電系統(tǒng)，換熱系統(tǒng)以及聚光集熱系統(tǒng)構(gòu)成的，過(guò)去塔式熔鹽太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中能夠?qū)?90℃的熔鹽通過(guò)冷卻后將其送至吸熱器中，在吸熱器中能夠升溫至565℃，最后將熔鹽送入熱罐中，當(dāng)發(fā)電時(shí)熱鹽能夠經(jīng)過(guò)泵，進(jìn)入到蒸汽發(fā)生裝置中，進(jìn)而能夠形成過(guò)熱蒸汽，該蒸汽進(jìn)入到汽輪機(jī)以實(shí)現(xiàn)郎肯循環(huán)發(fā)電。通過(guò)放熱的熔鹽可進(jìn)入冷罐中再次循環(huán)。吸熱器的加熱過(guò)程對(duì)于配置電下熱裝置后，熔鹽在冷罐中，可通過(guò)泵將其送入電加熱裝置中，根據(jù)劉文飛等人提出了含電加熱裝置的光熱電站建模，在該項(xiàng)發(fā)明中針對(duì)風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中存在的不確定性以及。新能源中國(guó)在接入光伏電網(wǎng)之后，存在一定的能源消納困難，且棄光棄電和風(fēng)棄電問(wèn)題仍然比較嚴(yán)重，進(jìn)一步研究提出應(yīng)對(duì)含有光伏電加熱技術(shù)裝置的新型光伏加熱電站采用相關(guān)技術(shù)模型，將其與風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化之后，能夠構(gòu)建聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，即風(fēng)電光熱發(fā)電系統(tǒng)?？紤]兩種發(fā)電的輸出功率在時(shí)間中具備的互補(bǔ)性，能夠運(yùn)用光熱電站儲(chǔ)能系統(tǒng)有效控制風(fēng)電出力平滑，抑制風(fēng)力觸電過(guò)程中存在的波動(dòng)性，進(jìn)而減少風(fēng)電光熱聯(lián)合發(fā)電存在的處理波動(dòng)，之后將一定容量電加熱裝置配置到光熱電站中，能夠有效將棄風(fēng)電能轉(zhuǎn)為熱能。

2.2 光熱電站

在光熱電站中將能量?jī)?chǔ)存在蓄熱系統(tǒng)，能夠有效增加發(fā)電量，提升風(fēng)電消納能力。采用這種系統(tǒng)其包含換熱裝置，發(fā)電系統(tǒng)，蓄熱系統(tǒng)以及聚光集熱系統(tǒng)和風(fēng)電場(chǎng)中的變流器，風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。利用進(jìn)入聚光蓄能集熱發(fā)電系統(tǒng)之后能夠?qū)⑺枰盏臒崃刻?yáng)能經(jīng)聚光換熱發(fā)電裝置系統(tǒng)加熱為其傳熱介質(zhì)，并將其熱能轉(zhuǎn)為剩余熱能后再進(jìn)入聚光發(fā)電裝置系統(tǒng)中，通過(guò)其在水中的加熱可以使其迅速形成含有過(guò)熱量的蒸汽，進(jìn)而可以能夠直接帶動(dòng)過(guò)熱氣輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，進(jìn)入聚光蓄熱發(fā)電系統(tǒng)之后能夠可直接進(jìn)行剩余熱量水的儲(chǔ)存，通過(guò)系統(tǒng)釋放出的熱量，能夠直接使加入的熱水迅速形成含有過(guò)熱量的蒸汽進(jìn)而能夠可直接帶動(dòng)過(guò)熱汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，將來(lái)在光熱光伏電站中沒(méi)有配置的水加熱發(fā)電裝置之后，能夠?qū)⒐鉄犸L(fēng)電場(chǎng)之中多余下的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)化而成為剩余熱能，充分的的實(shí)現(xiàn)了在光熱光伏電站之中電與熱的雙向熱能轉(zhuǎn)換，合理利用棄風(fēng)電量。

系統(tǒng)存在4 種運(yùn)行狀態(tài)：

（1）在處于無(wú)風(fēng)無(wú)光照條件下，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)無(wú)法同時(shí)獲得系統(tǒng)啟動(dòng)發(fā)電速度，而使得會(huì)容易出現(xiàn)系統(tǒng)停止聯(lián)合發(fā)電發(fā)熱問(wèn)題，對(duì)于其他光熱聯(lián)合電站，僅僅是需通過(guò)系統(tǒng)釋放虛熱發(fā)電系統(tǒng)過(guò)程中的多余熱量將其電能轉(zhuǎn)為其他電能；

（2）在無(wú)風(fēng)或者有風(fēng)大光照的這種情況下，由于其他風(fēng)力蓄熱發(fā)電機(jī)使得無(wú)法同時(shí)達(dá)到一個(gè)相應(yīng)的系統(tǒng)啟動(dòng)發(fā)電速度，會(huì)容易出現(xiàn)系統(tǒng)停止聯(lián)合發(fā)電發(fā)熱問(wèn)題，在其他光伏發(fā)熱電站中使得能夠有效利用大量太陽(yáng)能進(jìn)行輻射，經(jīng)過(guò)蓄熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行充熱和聯(lián)合放熱達(dá)到輸出最大功率；

（3）在處于有水大風(fēng)或者無(wú)風(fēng)的光照情況條件下，利用其他風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大發(fā)熱功率，可實(shí)現(xiàn)輸出最大功率及電能利用方式風(fēng)電發(fā)熱攻略對(duì)于光伏發(fā)熱電站使得可通過(guò)蓄熱發(fā)電系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行聯(lián)合放熱，其中也可與其他風(fēng)電進(jìn)行聯(lián)合蓄熱發(fā)電；

（4）在處于有水無(wú)風(fēng)前熱和有風(fēng)無(wú)光照的這種條件下，如果其他風(fēng)電的輸出力較小，這種放熱情況條件下光伏發(fā)熱電站使得能夠通過(guò)蓄熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行放熱，進(jìn)而使得能夠有效提高其他聯(lián)合蓄熱發(fā)電發(fā)力系統(tǒng)的發(fā)熱輸出力和功率，如果在其他風(fēng)電聯(lián)合發(fā)力較大的這種情況下，可通過(guò)其他光熱協(xié)同電站的聯(lián)合蓄熱發(fā)電系統(tǒng)蓄熱以有效減少其他光熱聯(lián)合電站的輸出力，進(jìn)而能夠維持聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)輸出功率。

3 配置電加熱裝置后光熱儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)優(yōu)化分析

3.1 儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)及電加熱功率優(yōu)化

當(dāng)前，在設(shè)計(jì)光熱電站過(guò)程中是通過(guò)本體儲(chǔ)熱系統(tǒng)最優(yōu)化，進(jìn)行除了時(shí)長(zhǎng)的確定，而度電成本最低則為其最優(yōu)化目標(biāo)判斷依據(jù)。將光熱電站中配置電加熱裝置之后，這種多能互補(bǔ)系統(tǒng)蓄熱時(shí)長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生顯著變化，為能夠滿足棄電轉(zhuǎn)換相應(yīng)的熱量?jī)?chǔ)存要求，需結(jié)合電加熱功率，針對(duì)光電站的時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行合理優(yōu)化。從一定程度上來(lái)看，在確保儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)不變時(shí)，電加熱功率會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而獲得光熱度電成本的變化曲線，在該曲線最低位置并加熱功率是最優(yōu)化的電加熱配置功率。不同儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)能夠與電加熱功率進(jìn)行對(duì)應(yīng)，進(jìn)而通過(guò)曲線能夠獲得該系統(tǒng)中最優(yōu)化的電加熱功率。

3.2 儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)優(yōu)化思路

針對(duì)儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)一定時(shí)，進(jìn)行電加熱功率計(jì)算，通過(guò)生產(chǎn)模擬，計(jì)算能夠獲得不同電加熱功率相應(yīng)光熱發(fā)電量，在計(jì)算光熱電站輸入成本時(shí)，需加入配置電加熱裝置的成本以及光熱電站的度電成本，在儲(chǔ)熱時(shí)程增加之后，需針對(duì)不同電價(jià)熱功率進(jìn)行光熱發(fā)電量的計(jì)算，設(shè)置光熱發(fā)電站的度電成本變化曲線，能夠以最低度電成本，相應(yīng)電加熱功率及儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)作為最優(yōu)化參數(shù)。在上述優(yōu)化中，光熱電站配置電加熱裝置，在確定最優(yōu)化電加熱功率以及主要時(shí)長(zhǎng)可主要分為三個(gè)環(huán)節(jié)：

（1）輸入初始參數(shù)，需要擬定光熱電站的添加熱功率相關(guān)參數(shù)以及初始時(shí)長(zhǎng)相關(guān)參數(shù)；

（2）生產(chǎn)模擬，設(shè)置固定的儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)，在處于不同電加熱功率下計(jì)算相應(yīng)發(fā)電量以及度電成本；

（3）輸出優(yōu)化方案以最低度電成本為目標(biāo)，輸出相應(yīng)電加熱功率以及除熱時(shí)長(zhǎng)。

4 具體案例分析

在本研究中一某多能互補(bǔ)光熱電站基地作為研究對(duì)象，該基地風(fēng)電裝機(jī)光伏裝機(jī)光熱專(zhuān)機(jī)量分別為400MW，200MW，以及50MW，在該互補(bǔ)基地中組網(wǎng)能夠通過(guò)330kv1回電路進(jìn)行有效連接。利用歷史數(shù)據(jù)對(duì)光伏出力特性風(fēng)電出力特性進(jìn)行8760 小時(shí)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)獲得變化曲線，其中供熱機(jī)組運(yùn)用塔式熔鹽方法，在整個(gè)光熱電站中，太陽(yáng)倍數(shù)為所有即熱聚光設(shè)備在投入使用之后吸熱器的輸出功率以及在處于額定負(fù)荷條件下，汽輪機(jī)運(yùn)行需要的熱功率比值，在該案例中選取2.8 作為太陽(yáng)倍數(shù)，場(chǎng)地面積設(shè)置為66 萬(wàn)平方米。

在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)參數(shù)計(jì)算過(guò)程中，該光熱電站初期投資成本為17億元，整個(gè)施工周期為2a，按照1.5%作為光熱電站的運(yùn)行維修費(fèi)用費(fèi)率，每增加一小時(shí)除額時(shí)長(zhǎng)，那么會(huì)使該光熱電站投資成本增加0.15 億元。電陽(yáng)能加熱器和光伏配電配套設(shè)備上網(wǎng)投資利用成本預(yù)測(cè)可按照每千瓦1000 元樣本進(jìn)行電價(jià)預(yù)測(cè)，按照2020年該地光伏發(fā)電標(biāo)桿及該地風(fēng)電企業(yè)上網(wǎng)平均電價(jià)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行有效電價(jià)預(yù)測(cè)，比如光伏標(biāo)桿上網(wǎng)以及該地風(fēng)電標(biāo)桿上網(wǎng)平均電價(jià)分別為0.65 和0.6 元每千瓦時(shí)，而該地光熱標(biāo)桿上網(wǎng)平均電價(jià)可按照1元每千瓦時(shí)，棄電電價(jià)為0。可通過(guò)上述電價(jià)進(jìn)行邊界條件計(jì)算，不同地區(qū)會(huì)存在一定差異。

（1）在固定儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)中，優(yōu)化電加熱功率。在未配置并加熱裝置時(shí)上網(wǎng)電量達(dá)到1.8 千瓦時(shí)，其度電成本達(dá)到1.15 元每千瓦時(shí)，而將光熱電站中配置電加熱裝置且其功率為60MW，那么由電加熱所吸收的棄電量可達(dá)到0.3 億千瓦時(shí)，上網(wǎng)電量為11.9 億千瓦時(shí)，相比未引入電加熱裝置之后可增加0.09 億千瓦時(shí)，所消耗的度電成本為1.1 億每千瓦時(shí)，能夠降低度電成本達(dá)0.019 千瓦時(shí)。根據(jù)該結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在固定儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)之后，增加光熱電站的電加熱功率之后能夠使儲(chǔ)罐容量利用率顯著增加，同時(shí)會(huì)增加電加熱的吸收棄電電量，可顯著增加發(fā)電量，當(dāng)電加熱功率達(dá)120MW，這種情況下，其會(huì)從一定程度上受到儲(chǔ)罐容量因素的影響。保持電加熱吸收棄電量不變，那么整體上網(wǎng)電量也不會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。然而需要注意，按照分類(lèi)電價(jià)政策實(shí)施之后，由于光熱電源，風(fēng)電及光伏上網(wǎng)電價(jià)不同，其中電價(jià)最高的是光熱電源，棄電電價(jià)為0。

（2）在不同處熱時(shí)場(chǎng)下優(yōu)化光熱電站的電加熱功率。在處于不同程度的時(shí)常條件下，將光熱電站中配置電加熱功率達(dá)60MW此時(shí)能夠獲得最低的固定成本。在選擇12 小時(shí)和16 小時(shí)除熱時(shí)長(zhǎng)時(shí)，對(duì)應(yīng)度電成本是最低的，但兩者數(shù)值接近。當(dāng)設(shè)置60MW 電加熱功率之后，選擇14 小時(shí)儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)，此時(shí)能夠獲得最低的度電成本。根據(jù)該數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，將一定容量電加熱裝置配置在光熱電站中，兩者聯(lián)合運(yùn)行，這種情況下能夠充分運(yùn)用棄電將其轉(zhuǎn)為光熱電量，通過(guò)光熱電站儲(chǔ)熱裝置進(jìn)而能夠提高發(fā)電效率，增加發(fā)電量，有效降低度電成本。

5 小結(jié)

總而言之，針對(duì)當(dāng)前將電加熱裝置應(yīng)用于光熱電站中能夠有效減少棄風(fēng)棄電，充分進(jìn)行能源利用，然而光熱電站以及電加熱裝置兩者之間存在偶合性。在本研究中通過(guò)分析光熱電站中電加熱功率以及儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)兩者之間的變化以及其對(duì)于度電成本產(chǎn)生的影響，進(jìn)而能夠獲得最低度電成本，相應(yīng)的電加熱功率以及除了時(shí)長(zhǎng)將其作為函數(shù)優(yōu)化目標(biāo)。通過(guò)具體的案例分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合運(yùn)行并加入裝置以及光熱電站能夠有效運(yùn)用棄電，并將其轉(zhuǎn)為光熱電量，利用光熱電站進(jìn)行熱量?jī)?chǔ)存，能夠有效提升光熱發(fā)電站的運(yùn)行效率，增加發(fā)電量，降低度電成本，在使用14 小時(shí)儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)條條件下，將光熱電站中增加電加熱裝置，功率為60MW 此時(shí)能夠有效降低度電成本達(dá)1.1 元每千瓦時(shí)。